海温强迫下的东亚夏季大气环流潜在可预报性特征

利用大气环流模式NCARCAM3,进行22a（1979—2000年）、每年8个初值的集合试验,并采用方差分析方法,研究了观测海温强迫下东亚夏季大气环流的潜在可预报性。结果表明,夏季东亚地区海平面气压场的潜在可预报性总体偏低,在中国区域呈东南高、西北低的分布特征;850hPa纬向风场、对流层500～200hPa平均温度场和500hPa位势高度场在低纬度地区的潜在可预报性明显高于中高纬度地区。500hPa位势高度场的潜在可预报性较高,东亚大部分地区大于0.5,尤其华南地区大于0.7。夏季东亚500hPa位势高度场的潜在可预报性具有明显的年际变化特征,并与夏季南海海温异常关系密切。与正常年份相比,在夏季南海海温偏暖或者偏冷年,东亚500hPa位势高度场的潜在可预报性较高     

20世纪90年代初东亚夏季风的年代际转型

利用1979—2009年JRA-25和NCEP/NCAR再分析资料,通过复矢量经验正交方法揭示了东亚地区夏季850 hPa风场变率的优势模态。结果表明:两套再分析资料所揭示的东亚夏季风在20世纪90年代初均发生了年代际转型,与我国夏季降水的年代际转型时间一致。伴随着东亚夏季风的年代际转型,我国北方大部分地区夏季降水减少,尤其是我国东北北部和长江、黄河之间105°E附近区域显著减少,而华南地区和淮河流域降水显著增加。从动力上解释我国夏季降水年代际转型特征,夏季500 hPa高度场两个时段 (1993—2009年和1979—1992年) 的差值分布显示为欧亚大陆北部准纬向遥相关波列,夏季850 hPa风场差值分布表现为贝加尔湖东南侧和日本以南地区存在两个异常反气旋式环流,而我国南方地区和鄂霍次克海附近均为异常气旋式环流。夏季西北太平洋、北印度洋以及部分中高纬度海洋的海温和春季欧亚大陆积雪在20世纪90年代初出现显著变化,春季北极海冰的年代际转型发生在20世纪90年代初,都可能成为东亚夏季风年代际转型的原因。     

东亚夏季风异常活动的多模态特征:不同再分析资料的比较分析

利用1979～2002年ERA-40、ERA interim、JRA-25和NCEP-DOE AMIP-Ⅱ(简称为NCEP-2)再分析资料,采用扩展经验正交分解(EEOF)、相关分析等方法,对比分析了不同资料所揭示的东亚夏季风异常活动的多模态特征,在此基础上探讨了东亚夏季风异常活动各模态对应的大气环流异常分布型及其与中国夏季降水的可能联系。结果表明:(1)四套再分析资料所揭示的东亚夏季风异常活动均存在三种差异显著的空间模态,且各套资料对东亚夏季风异常活动空间多模态特征具有很好的一致性,仅NCEP-2的结果与其他资料略有差异。(2)第一模态体现了夏季风年际异常在中国南方和北方的反相变化,并具有显著的3～6年和准8年周期;与正(负)时间系数相对应,850 hPa风场、500 hPa高度场、SLP均显示东亚沿岸存在从西北太平洋经过日本以南到达鄂霍次克海的“-+-”(“+-+”)经向三极型结构;相应的降水变化在长江中下游为显著的负(正)异常,而在我国东北东部、东南沿海及云南西部则为正(负)异常。(3)第二模态反映了夏季风活动主导模态的一致性变化且在1993年左右发生年代际转折,并呈现准12年周期的强弱交替分布。当对应的时间系数为正(负)时,850 hPa风场在环贝加尔湖地区受强大的异常反气旋(气旋)控制;500 hPa高度场上,中高纬地区表现为异常的纬向波列结构,具体表现为起源于欧洲大陆西部经西西伯利亚平原向东南方向延伸至东北亚地区的“+-+”(“-+-”)的波列;SLP在我国大陆主要为正(负)异常,东亚夏季风整体减弱(加强);对应的夏季降水异常场呈现“南涝北旱”(“南旱北涝”)的分布形势。(4)第三模态表明了夏季风异常活动的东西反相变化,且有12～16年的准周期变化。对应正(负)的时间系数,115°E 以东地区盛行异常偏南(北)风,而115°E 以西地区主要盛行异常偏北(南)风;500 hPa高度场、SLP均显示出东亚沿岸地区、鄂霍次克海至日本以南洋面的“-+”(“+-”)波列以及欧亚大陆北部的准纬向遥相关波列;夏季降水在我国大部分地区偏多(偏少),显著变化主要位于黄淮及附近地区。     

南海夏季风强度潜在可预报性的年代际变化及可能原因

基于NCEP/NCAR再分析资料,利用信噪比(SNR)方法研究了南海夏季风强度潜在可预报性的年代际变化,结果表明:南海夏季风强度潜在可预报性在20世纪80年代出现了由潜在可预报性偏低位相向偏高位相的年代际转折。进一步的研究发现,南海夏季风强度潜在可预报性和东印度洋—西太平洋(EIOWP)的海表温度(SST)存在明显的正相关。当EIOWP区域SST年际变率较大时,对南海夏季风影响较强,使得南海夏季风的外部信号增强,从而提高了潜在可预报性;当EIOWP区域SST年际变率较小时,对南海夏季风影响较弱,南海夏季风的外部信号进而减弱,潜在可预报性降低。     

ECMWF模式对东北半球气象要素场 预报能力的检验

利用ECMWF模式逐日分析场(0场)序列和7d预报场序列,使用气候学方法客观检验ECMWF模式对东北半球的预报能力,主要结果如下:1)模式对不同要素场的预报能力呈现出明显的季节性差异,夏季特别是7月预报能力最弱.2)总体来说,850 hPa温度场、500 hPa高度场与0场相关最好,850 hPa湿度场与0场相关最弱;随着预报时效的增加,预报能力总体减弱.3)大陆上温度场预报总体较0场偏高,而在赤道低纬地区偏低,模式对赤道附近温度场变率预报能力弱于中高纬地区,这一特征在其它要素预报中也有不同程度的体现.4) 500 hPa位势高度预报场与0场的差值表现出清楚的起源于里海并向东北传播经贝加尔湖、鄂霍次克海转向东南至日本东部海域的波列,这一现象在500 hPa风场差值图中也有清楚的表现.5)纬向风预报能力强于经向风,30°N附近存在纬向风与0场相关系数高值带.6)总体来说,模式对高层的预报能力优于低层,但模式对700 hPa风场的预报存在显著差异.     

一个新的东亚副热带夏季风指数的定义

利用1958—2014年夏季NCEP/NCAR大气环流资料和中国486站降水观测资料,通过多种统计诊断方法,从与夏季中国东部3类不同雨型分布相联系的东亚高低层风场变化特征出发,依据与雨带变化密切联系的高层200 hPa纬向风定义了一个新的东亚副热带夏季风指数。分析表明,该指数不仅能反映夏季东亚大气环流的变化特征,兼顾北方冷空气活动和南方东亚夏季风环流变化,同时还能反映夏季中国东部降水南北差异的年际特征。强东亚副热带夏季风指数年,高层中纬度西风急流位置偏北,低层西太平洋副热带高压偏强偏北,有利于冷空气活动位置偏北和东亚东部西南暖湿气流向北推进,中国东部多以Ⅰ类雨型为主;弱东亚副热带夏季风指数年的环流变化刚好相反,中国东部多以Ⅲ类雨型为主。与现有东亚夏季风指数的对比分析表明,该指数在反映中国东部南北区域降水变化的差异方面有很大改进。     

夏季西太平洋副热带高压异常时的东亚大气环流特征

利用NCAR/NCEP月平均再分析资料,探讨夏季西太平洋副热带高压异常时东亚热带季风、梅雨锋及中高纬环流的变化特征.研究表明:夏季西太平洋副热带高压脊线异常偏南或脊点异常偏西时,东亚夏季风环流偏弱,850 hPa矢量风距平场上东亚热带地区出现反气旋性环流,副热带地区呈气旋性环流,500 hPa垂直速度距平场上东亚热带地区上升运动减弱,梅雨锋区上升运动加强,500 hPa高度上东亚高纬鄂霍次克海区域出现阻塞高压,高纬冷空气直达中纬度,梅雨锋扰动加强,造成江淮流域汛期降水偏多.夏季西太平洋副热带高压脊线异常偏北或脊点异常偏东时,东亚夏季风环流偏强,东亚大气环流系统的活动出现了与上述情况相反的异常型,江淮流域汛期降水偏少.     

21个气候模式对东亚夏季环流模拟的评估Ｉ：气候态.

利用欧洲中期天气预报中心的40 a再分析资料(ERA40),评估了参与政府间气候变化专门委员会第四次评估报告(IPCC AR4)的21个全球海气耦合模式对东亚地区夏季大气环流气候态的模拟能力.结果表明:(1)尽管各模式模拟性能差异较大,但模式对东亚地区海平面气压场(SLP)、850 hPa风场及500 hPa位势高度场的气候态均有较好模拟;整体来说,500 hPa位势高度场模拟效果最好,SLP场模拟相对较差;(2)SLP在高原上模拟存在明显不足;多数模式能较好模拟850 hPa纬向、经向风场的基本特征;500 hPa位势高度场各模式模拟偏差一致性的区域性差异不明显;(3)模式对东亚地区夏季两大环流系统模拟整体偏弱,西太平洋副热带高压模拟明显偏弱.     

东亚夏季风的自然变率——NCARCam3模拟结果分析

利用季节循环的全球观测海表温度及海冰驱动NCARCam3全球大气环流模式的100a模拟结果,通过定义东亚夏季风指数,分析了模拟的大气内部变化中东亚夏季风的变化特征。结果表明：模拟的东亚夏季风自然变率主要表现为3—7a较显著的年际周期,并具有较明显的年代际变化特征。在弱夏季风年代,亚洲大陆海平面气压增强,日本附近及东亚沿海地区海平面气压降低;500hPa位势高度上,欧洲地区为负高度距平,里海附近地区为正高度距平,日本及其以东太平洋为负高度距平,易形成类似欧亚（EU）型的遥相关波列。在强夏季风年代,其环流异常分布基本与弱夏季风年代相反。模拟的东亚夏季风变化与夏季大气内部500hPa高度场上EU型遥相关波列的关系密切。     

东亚夏季风降水年代际变异模态及其与太平洋年代际振荡的关系

利用全球陆地月平均降水资料、英国气象局哈德莱中心的月平均海表温度距平(SSTA)资料及NCEP/NCAR再分析大气环流资料,探讨东亚夏季风降水年代际变率及其与太平洋年代际振荡(PDO)的联系。研究指出:东亚夏季风降水年代际变异模态以及PDO均在1976年前后呈现显著的年代际转折,并且东亚夏季风降水与PDO在年代际尺度上具有较好的相关关系。PDO能够在对流层低层激发出与年代际东亚夏季风环流较为相似的大气环流异常特征,表明东亚夏季风环流的年代际变化可能受大气外强迫因子PDO在对流层低层的外源强迫作用影响,最终导致东亚夏季风降水发生年代际变化。     

CMIP3气候模式对东亚冬季大气环流模拟能力的评估

利用1960—1999年ECMWF月平均再分析资料(ERA40)和耦合模式比较计划(Phase 3 of the CoupledModel Intercomparison Project,简称CMIP3)21个气候耦合模式对20世纪气候模拟试验的模式结果,从气候态和年际变化两个方面,评估了CMIP3气候模式对东亚冬季大气环流的模拟能力。结果表明:(1)模式对东亚地区冬季海平面气压、850 hPa纬向风、经向风和500 hPa高度场气候态的模拟存在不同程度的偏差,但均能较好模拟出上述要素气候态的空间分布特征。总体而言,模式对500 hPa高度场气候态的模拟效果最好,而对850 hPa经向风的模拟效果较差。(2)模式基本上能抓住近40年来东亚地区冬季500 hPa高度场的主要变化特征,但基本上不能模拟出冬季海平面气压、850 hPa纬向风和经向风的变化特征。此外,模式对阿留申低压、蒙古高压和东亚冬季风强度的变化特征几乎没有模拟能力。     

华西秋雨起止与秋冬季节大气环流转换

根据1961—2010年平均的逐候NCEP/NCAR再分析资料、1979—2008年平均的逐候CMAP降水资料以及1961—2010年逐候平均的中国553个台站降水资料,讨论了华西秋雨起止日期与秋冬季大气环流转换特征的关系。结果表明,华西地区降水年变化表现为明显的夏、秋双峰特征,8月4—8日(第44候)为双峰间的低谷,10月8—12日(第57候)以后降水降至年平均以下。由此,将华西秋雨建立和结束日期分别确定为8月9—13日(第45候)和10月8—12日(第57候)。华西秋雨的建立对应于东亚夏季风开始向冬季风转变,其标志性环流调整特征是江南地区的西南风转为东南风。东亚经向海平面气压梯度在8月9—13日(第45候)由南高北低转为南低北高,造成850 hPa江南地区的西南风转为东南风,该东南风与来自孟加拉湾的热带西南季风交汇于华西地区,形成风向和水汽的辐合,使得华西地区的降水在夏峰之后再次增强,华西秋雨由此建立。华西秋雨的结束则对应于孟加拉湾热带西南季风结束和东亚冬季风完全建立,其标志性环流调整特征是孟加拉湾地区的西南风转为东北风。随着东亚纬向海平面气压梯度由北向南依次发生东高西低向东低西高的转变,东亚冬季风也逐步向南推进,9月8—12日(第51候)东北冬季风到达江南地区,10月8—12日(第57候)进一步推进到南海地区,此时来自孟加拉湾的热带西南季风消失,造成华西地区完全受大陆冷高压控制,东亚季风经圈环流也转为冬季型哈得来环流,东亚冬季风完全建立,华西秋雨也随之结束。因此,华西秋雨起止可能与东亚夏季风、南亚夏季风向冬季风的转变时间不同步有关,东亚季风与南亚季风的共同作用使得华西秋雨成为亚洲夏季风在中国大陆上的最后一个雨季。     

关键区海温年代际异常对我国东部夏季降水影响

利用1931—2010年UKMO HADISST1全球月海表温度、NOAA再分析资料及我国东部96个站月降水量资料,使用REOF,SVD及合成分析等方法探讨了关键区冬季海表温度 (SST) 年代际异常对我国东部夏季降水的影响。结果表明:当冬季黑潮区SST年代际异常处于正位相时,夏季500 hPa中高纬度地区位势高度呈“+-+”距平分布,西风带经向环流盛行,西太平洋副热带高压加强、西伸;850 hPa风场距平场上,北方地区为反气旋性异常控制,南海上空为异常偏南气流,这样的环流配置有利于我国东部夏季多雨带出现在长江中下游地区;当冬季南印度洋偶极子 (SIOD) 年代际异常处于正位相时,夏季500 hPa中高纬度地区位势高度为正距平,阻塞形势发展,经向环流盛行,有利于冷空气南下,西太平洋副热带高压强度偏强,位置略偏南、偏西;850 hPa风场距平场上,北方地区为一反气旋性异常控制,异常偏北气流延伸至我国南方地区,索马里越赤道气流偏强。这种环流配置使得副热带锋区偏南,夏季多雨带位于华南及东南沿海地区。     

多要素表征的东亚季风区准双周振荡特征

为评估不同要素对东亚季风区准双周振荡的表征能力,对大气向外长波辐射（OLR）、500 hPa位势涡度、850 hPa相对涡度、850 hPa风场和750 hPa比湿等要素的准双周振荡特征进行对比,发现各要素均能很好反映东亚季风区明显的准双周振荡时空特征。OLR及500 hPa位势涡度、850 hPa相对涡度、850 hPa纬向风表征的准双周振荡呈明显的西北向传播特征,500 hPa位势涡度、850 hPa相对涡度、850 hPa纬向风北传更强,北传速度更快。850 hPa经向风的准双周振荡呈明显西移特征,北传弱,北传速度最慢。而750 hPa比湿准双周振荡呈东南向传播。不同要素准双周振荡的强度略有差异,其中750 hPa比湿与其他要素的差异大。总体而言,750 hPa比湿不能较好地表现出东亚季风区准双周振荡活动特征,而其余要素能很好地表征东亚季风区大气准双周振荡,其中500 hPa位势涡度和850 hPa相对涡度准双周振荡特征一致性高。     

Comparative tests and analyses on monsoon and regional precipitation

Summary Due to the strong variation of the Asian monsoon, many countries in Asia often suffer from serious natural disasters. Droughts and floods appear in East China frequently related to the large anomalies of the two branches of East Asian monsoon. Based on rainfall data recorded by 336 Chinese stations in the 1980s, two distinctly opposite rainfall types over East China in summer (JJA) are discovered. Correspondly, 850 hPa anomalous wind fields in the Eastern Hemisphere are also possessed by two types of converse patterns in spring (MAM) and summer (JJA). The onset time and intensity of the Somali jet and the two branches of Southeast and Indian monsoon are quite different. Furthermore, in the 500 hPa geopotential height anomaly fields in spring and summer, the variations of the previous general atmospheric circulation (in spring) are closely correlated to the two kinds of conversely distributed rainfall in summer. These two types of rainfall are also related to two types of conversely distributed sea surface temperature anomaly (SSTA) in the equatorial Pacific and Indian Oceans. To investigate model capabilities refelecting the above observed features, eight numerical experiments are carried out using the IAP 2-L AGCM, with observed monthly mean global SSTs as external forcing and observed atmospheric data on February 15 as initial conditions. The simulated distributions of rainfall anomalies over East China in summer are in good accordance with observations. With conversely distributed SSTAs in the equatorial Pacific, the simulated 850 hPa anomalous wind fields and the 500 hPa geopotential height anomalies are also conversely distributed, and are closely related to the two types of simulated rainfall anomalies over East China. The cross equatorial wind varies in strength, space and time. The simulated distributions of anomalous 500 hPa geopotential height in spring and the anomalous wind at 850 hPa in spring and summer are quite similar to observations.With 10 Figures     

近22a人为气溶胶对东亚地区夏季风环流影响的数值模拟研究

运用区域气候模式RegCM3耦合入一个化学过程,对东亚地区三类人为排放气溶胶（硫酸盐、黑碳和有机碳）的时空分布特征及其对夏季风环流的影响进行了数值模拟研究.模拟结果显示,气溶胶的引入会引起东亚地区夏季850 hPa风场发生改变,我国江淮以东洋面上空出现了一个气旋式距平环流中心,中心以西的偏北风气流将削弱东亚地区夏季西南季风.通过讨论春季中国地区气溶胶浓度与夏季东亚地区850 hPa经向风的时滞关系,以及夏季中国地区气溶胶浓度与同期东亚地区850 hPa经向风的关系,可以发现,春、夏季中国地区气溶胶浓度均与夏季东亚地区850hPa经向风有很好的负相关关系,当春季中国北方和夏季中国南方地区气溶胶浓度增加时,中国东部地区夏季偏南季风减弱.这可能与气溶胶改变了大气层顶和地表的辐射强迫,进而引起了海陆气压差异和位势高度场的变化有关.     

近22 a人为气溶胶对东亚地区夏季风环流影响的数值模拟研究

运用区域气候模式RegCM3耦合入一个化学过程,对东亚地区三类人为排放气溶胶（硫酸盐、黑碳和有机碳）的时空分布特征及其对夏季风环流的影响进行了数值模拟研究。模拟结果显示,气溶胶的引入会引起东亚地区夏季850 hPa风场发生改变,我国江淮以东洋面上空出现了一个气旋式距平环流中心,中心以西的偏北风气流将削弱东亚地区夏季西南季风。通过讨论春季中国地区气溶胶浓度与夏季东亚地区850 hPa经向风的时滞关系,以及夏季中国地区气溶胶浓度与同期东亚地区850 hPa经向风的关系,可以发现,春、夏季中国地区气溶胶浓度均与夏季东亚地区850 hPa经向风有很好的负相关关系,当春季中国北方和夏季中国南方地区气溶胶浓度增加时,中国东部地区夏季偏南季风减弱。这可能与气溶胶改变了大气层顶和地表的辐射强迫,进而引起了海陆气压差异和位势高度场的变化有关。     

黑龙江初夏降水的主模态特征及其前兆海洋信号分析

基于NCEP/NCAR再分析资料, 采用EOF分解、滑动t检验、相关系数等方法对黑龙江省初夏降水及其前兆信号进行了诊断分析。结果表明, 黑龙江全省初夏降水距平的空间分布以总体一致型为主, 此外, 还呈现东西反向型。总体一致型模态时间系数在1993年前后有明显的突变点。分析突变点前后降水主成分与500hPa位势高度、200 hPa纬向风、850 hPa矢量风以及前期海温的关系, 发现在突变前后影响初夏降水的同期主要系统均为东北冷涡和高空西风急流轴, 但冬季(北半球, 下同)澳大利亚周边海温对初夏降水的影响在突变前后存在明显变化。突变前在澳洲西北部, 暖海温造成东亚南高北低环流, 东北冷涡强, 高空急流偏北; 突变后在澳洲东北部, 冷海温导致东亚“+, -, +”波列, 东北冷涡弱, 高空急流偏南。      

东亚季风区冬季经向风的季节内变化及其可能机理

利用1979—2013年ERA-interim再分析资料,通过均方差分析、功率谱分析、带通滤波及合成分析等统计方法系统地分析了东亚季风区冬季经向风的季节内变化及其可能机理。结果表明,东亚季风区冬季经向风异常在我国华南一带变化显著,振荡周期为10~20 d(准双周振荡)。在准双周尺度上,水平方向上,850 h Pa异常北风主要呈现从高纬向低纬传播的特点,60°N附近异常经向风向东南方向传播,副热带30°N附近弱的异常经向风向东传播,二者在华南汇合,随后分为两支中心,分别向南和向东继续传播,我国华南一带存在基本气流向准双周尺度波动的能量转换,因此异常经向风在华南会显著增强;垂直方向上,对流层上层、中层、下层的经向风呈现强—弱—强的异常中心特征,对流层下层850 h Pa和上层200~300 h Pa均存在经向风大值中心;我国东部上空300 h Pa上,副热带地区波动比850 h Pa更明显,60°N附近波动向东南方向移动,同样在我国东部地区合并,波动辐合导致波动能量增强。     

夏季索马里越赤道气流垂直结构特征及其与南亚夏季风的关系

采用1950-2009年NCEP/NCAR月平均再分析风场资料,对夏季低空索马里越赤道气流的垂直结构及其与南亚夏季风的关系进行研究.结果表明:夏季索马里越赤道气流在垂直方向上从低层至高层先增强,在925 hPa高度上达到最大值后逐渐减弱.某些年份索马里越赤道气流核心可向上延伸至850 hPa高度,而某些年份则维持在925 hPa高度上.索马里越赤道气流垂直结构不同时,其对应的南亚夏季风也有所不同,这种差异主要体现在对流层低层风场的变化,以及南亚夏季风的强弱差异方面.总体来说,索马里急流核心高度延伸至850 hPa时,对应的南亚夏季风偏强;急流核心高度维持在925 hPa时,南亚夏季风偏弱.